[논문 리뷰] Effects of zigzag edge states on the thermoelectric properties of finite graphene nanoribbons

David Ming Ting Kuo|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유한한 그래핀 나노리본(GNRs)의 열전성질을 단일 오비탈 타이트버딩 해밀토니안과 그린 함수 방법을 사용하여 분석하며, 주로 절연체 모드에서의 제자리 모서리 상태가 전자 이동성에 미치는 영향을 다룬다. 연구 결과, 아치형 모서리가 있는 GNRs가 전극에 결합할 경우 제자리 모서리 상태가 강건한 열전 성능—특히 높은 파워 팩터—를 가능하게 하며, 이는 궁극적으로 궤도 비편재성과 유사한 두 개의 병렬 양자점과 유사한 행동을 보이며, 결함 산란에도 불구하고 안정성을 유지함을 보여준다.

ABSTRACT

Thermoelectric properties of finite graphene nanoribbons (GNRs) coupled to metallic electrodes are theoretically studied in the framework of tight-binding model and Green's function approach. When the zigzag sides are coupled to the electrodes, the electron transport through the localized edge states can occur only if the channel length between electrodes is smaller than the decay length of these localized zigzag edge states. When the armchair edges are coupled to the electrodes, there is an interesting thermoelectric behavior associated with the mid-gap states when the GNR is in the semiconducting phase. Here we show that the thermoelectric behavior of zigzag edge states of GNRs with armchair sides connected to electrodes is similar to that of two parallel quantum dots with similar orbital degeneracy. Furthermore, it is demonstrated that the electrical conductance and power factor given by the zigzag edge states are quite robust against the defect scattering.

연구 동기 및 목표

• 유한한 그래핀 나노리본(GNRs)의 제자리 모서리 상태가 금속 전극에 연결되었을 때 열전 이동성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 아치형 모서리가 있는 GNRs가 전극에 연결된 경우, 특히 반도체 상태에서의 밴드 갭 내 중간 상태의 역할을 열전 성질 분석을 통해 규명하는 것.
• 제자리 모서리 상태 지배 이동성에서 전기적 도전도와 파워 팩터가 결함 산란에 얼마나 견고한지 평가하는 것.
• 제자장 모서리 상태가 있는 GNRs의 열전 반응을 궤도 비편재성과 유사한 두 개의 병렬 양자점과 비교하는 것.
• 저차원 그래핀 기반 시스템에서 열전 효율성과 출력을 최적화하기 위한 이론적 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• GNRs의 패배 에너지 수준 근처의 전자 상태를 모델링하기 위해 단일 오비탈 타이트버딩 해밀토니안을 사용하며, pz 오비탈에서 기인하는 π-밴드에 집중한다.
• 전기적 이동성 특성인 도전도 및 투과 계수를 계산하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 사용한다.
• 경계 원자에서의 터널링률(ΓL, ΓR)을 통해 GNRs와 금속 전극 간의 결합을 모델링한다.
• 비평형 조건 하에서 시벡 계수(S), 전기적 도전도(Ge), 파워 팩터(S²Ge)를 포함한 열전 계수를 분석한다.
• 이동 메커니즘을 비교하기 위해 전극 결합에 대해 제자리 모서리 및 아치형 모서리 구성을 각각 시뮬레이션한다.
• 국소적 불순물 도입을 통해 결함 산란 영향을 평가하고, 도전도 및 파워 팩터에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 GNRs가 금속 전극에 연결되었을 때 제자리 모서리 상태는 열전 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 반도체 상태일 때 아치형 모서리가 있는 GNRs에서 중간 밴드 갭 상태는 열전 성능에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 GNRs에서 제자리 모서리 상태의 이동성은 궤도 비편재성과 유사한 두 개의 병렬 양자점의 이동성과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 제자리 모서리 상태에 의해 지배되는 전기적 도전도와 파워 팩터는 결함 산란에 얼마나 견고한가?
• RQ5 제자리 모서리 상태를 통한 이동이 이루어질 때, 전극 간 채널 길이에 따라 열전 효율성이 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• 제자리 모서리가 전극에 연결된 경우, 국소화된 모서리 상태를 통한 전자 이동은 채널 길이가 모서리 상태의 감쇠 길이 이하일 때에만 가능하다.
• 반도체 상태에서 아치형 모서리가 있는 GNRs의 경우, 중간 밴드 갭에 급격한 투과 피크가 나타나며, 이는 공진 이동성을 나타낸다.
• 아치형 모서리가 있는 GNRs에서 제자리 모서리 상태의 열전 성질은 궤도 비편재성과 유사한 두 개의 병렬 양자점과 유사하게 나타나며, 특히 급격한 도전도 피크 형성에서 유사성을 보인다.
• 제자리 모서리 상태에 의해 매개되는 전기적 도전도와 파워 팩터는 결함 산란에 매우 강건하며, 불순물 존재 조건에서도 높은 값을 유지한다.
• 결함 조건 하에서도 파워 팩터(S²Ge)는 유의미하고 안정적인 상태를 유지하며, 저차원 그래핀 시스템에서 실용적 열전 응용 가능성을 시사한다.
• 이 연구는 유한한 크기 효과와 모서리 기하학이 열전 성능을 결정적으로 좌우하며, 아치형 모서리 구조가 중간 밴드 상태를 통해 향상되고 안정된 이동성을 가능하게 함을 입증한다.